DOI: 10.1016/j.esci.2021.11.003
1、通过调控材料的掺杂态，实现了聚吡咯导电电极高倍率性能和长循环稳定性能 (可在20 A g−1大电流下充放电；在1 A g−1下循环3000次后容量保持率83%)。
2、基于独特的电化学掺杂机制和结构特征，聚吡咯表现出对频繁进出的阴离子的自适应性，阴离子的反复进出改善了聚合物的共轭体系结构。随着消费类电子产品﹑电动汽车和储能电源等领域的迅猛发展，探索下一代长寿命高倍率电池技术已迫在眉睫。近期，双离子电池(DIBs)引起了人们广泛的关注。与锂离子电池相比，双离子电池的储能过程是由电解液中的阴阳离子在充放电过程中分别插入/脱出正负极材料而实现的。最常见的双离子电池是双石墨电池，即正负极材料均采用石墨材料，由于阴离子在石墨正极中的插层反应往往发生在较高的电位下，这势必会引起电解液在高电位下的分解。虽然采用离子液体作为电解液，具有较好的高电压稳定性，但是目前仍然存在诸如离子液体与负极的相容性差，粘度较高，离子迁移慢，价格昂贵等挑战。因此，开发能与现行商业化锂离子电池电解液相适应的双离子电池正极材料将具有现实意义和必要性。聚合物电极材料具有结构可设计性，资源可再生性和独特的储能机制等特点。在此背景下，双离子电池采用低成本及“绿色”的聚合物电极材料将会使该类型的电池在高性能和可持续方面展现出巨大的优势。用作双离子电池正极的导电聚吡咯能够通过阴离子的掺杂/脱掺杂实现可逆的氧化还原，充电时外电路从聚吡咯链中抽取电子，被氧化聚吡咯链带上正电荷，电解液中的阴离子进入聚合物以平衡电荷，放电时被还原聚吡咯链得到电子同时释放出阴离子。因此，作者以聚吡咯为正极材料，石墨为负极材料，搭配常用的碳酸酯类电解液，得到了具有超高倍率的双离子电池（图1）。使用商业的六氟磷酸锂基电解液，该电池表现出高的可逆容量(125 mAh g-1)，优越的倍率性能(在10 A g−1和20 A g−1的大电流下，容量保持率分别为92%和87%)，长期循环寿命(3000次循环后有83%的容量保持率)（图2）。即使在体积更大的三氟甲基磺酰亚胺锂电解液和钾离子电解液中，这种高倍率性能依然能很好的展现。▲图2. (a)恒流充放电曲线对比。(b)循环伏安曲线对比。(c)LiPF6-基电解液组装的双离子电池倍率性能。(d)LiTFSI-基电解液组装的双离子电池倍率性能。(e)LiPF6-基电解液组装的双离子电池的循环性能。通过一系列电极反应过程动力学表征，作者对离子扩散，反应动力学常数，电化学活化过程进行了研究，揭示了聚吡咯表现出高倍率性能的内在原因：1、氧化还原赝电容主导的电荷过程，从本质上决定了快速的电化学储能行为。2、聚吡咯的共轭结构表现出高度的π电子离域性，因此具有快速的反应动力学特征。3、聚吡咯表现出对频繁进出的阴离子的自适应性，阴离子的反复进出改善了聚合物的共轭体系结构。Polypyrrole as an ultrafast organic cathode for dual-ion batteries
T. Sun, Q.-Q. Sun, Y. Yu, X.-B. Zhang*
eScience, 2021,
DOI: 10.1016/j.esci.2021.11.003稀土资源利用国家重点实验室主任，主要从事电池与电催化研究，已在Nat. Chem、Nat. Energy、Chem、Joule、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev.等期刊上以第一作者或通讯作者发表SCI论文200余篇，他引26097余次，论文引用H因子为90（截至2021年12月17日）。入选中科院高层次人才项目，获国家自然科学基金委“优秀青年科学基金”（2014年，结题“优秀”）, 科技部创新人才推进计划“中青年科技创新领军人才”（2016年），国家自然科学基金委“杰出青年科学基金”（2017年）和吉林省自然科学奖一等奖（第1完成人）(2019年)、中国科学院优秀导师奖（2020年）。eScience (国际刊号ISSN：2667-1417；国内出版物号CN12-1468/O6) (简称《e科学》)，主管单位为教育部，为南开大学与科爱合作创办的国际化学术期刊，创刊主编为南开大学陈军院士，致力于发表能源、电化学、电子学和环境相关领域及其交叉学科具有原创性、重要性和普适性的最新研究成果。“立足中国，拥抱世界，引领未来”，本刊定位为具有广泛影响力的能源电化学领域国际顶级学术期刊，将提升国际学术影响力，服务科技强国建设，助力“碳达峰”和“碳中和”国家重大能源战略。成功入选2020年度中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目。初期采取钻石开放获取出版模式，对作者和读者均免费，是您可信赖的发表平台。期刊将执行快速响应、公正严格、高标准的稿件评审制度，欢迎大家关注与投稿！http://www.esciencemag.com▼点击文末阅读原文可免费下载英文原文，欢迎转载分享及论文引用！